專(zhuān)利名稱(chēng)：具有電隔離的雙向能量輸送的系統(tǒng)和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
這里描述的主題的實(shí)施例總體上涉及汽車(chē)中的電氣系統(tǒng)，更具體而言，該主題的 實(shí)施例涉及具有電隔離的充電系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
期望用于電動(dòng)和/或混合動(dòng)力車(chē)輛的充電系統(tǒng)適于在寬范圍的工作輸入/輸出電 壓下輸送高功率，同時(shí)達(dá)到電隔離、一致功率因素、低諧波失真、高功率密度和低成本。很多 充電系統(tǒng)采用兩個(gè)功率級(jí)設(shè)計(jì)。第一功率級(jí)包括寬輸入電壓范圍的一致功率因素升壓轉(zhuǎn)換 器，其提供的輸出電壓高于被充電的能源的電壓。第二級(jí)提供電隔離，并且針對(duì)被充電的電 源將電壓和電流處理到可接受的水平。然而，使用兩個(gè)功率級(jí)是不高效的(例如在部件尺 寸、功率消耗和成本方面)和不夠靈活的，也就是說(shuō)，兩功率級(jí)充電系統(tǒng)通常適用于兩個(gè)電 源的特定電壓組合。此外，大多數(shù)現(xiàn)有技術(shù)充電系統(tǒng)是單向的，也就是說(shuō)，兩個(gè)功率級(jí)在單 個(gè)方向上提供充電電流的功率處理(例如，AC到DC)，并因此不能夠進(jìn)行雙向能量輸送。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，提供一種用于充電系統(tǒng)的設(shè)備。所述充電系統(tǒng)包括第一雙向轉(zhuǎn) 換模塊；第二雙向轉(zhuǎn)換模塊；和聯(lián)接在所述第一雙向轉(zhuǎn)換模塊和所述第二雙向轉(zhuǎn)換模塊之 間的隔離模塊。所述隔離模塊提供所述第一雙向轉(zhuǎn)換模塊和所述第二雙向轉(zhuǎn)換模塊之間的 電隔離。根據(jù)另一個(gè)實(shí)施例，提供一種控制充電系統(tǒng)的方法，所述充電系統(tǒng)包括在DC接口 處聯(lián)接到DC能量源的第一雙向轉(zhuǎn)換模塊和在AC接口處聯(lián)接到AC能量源的第二雙向轉(zhuǎn)換 模塊。所述方法包括識(shí)別所述充電系統(tǒng)的能量輸送方向，所述能量輸送方向?qū)?yīng)于所述 DC接口處的DC電流的方向；和基于所述能量輸送方向操作所述第一雙向轉(zhuǎn)換模塊和所述 第二雙向轉(zhuǎn)換模塊，使得所述DC電流在與所述能量輸送方向相對(duì)應(yīng)的方向上流動(dòng)。在另一個(gè)實(shí)施例中，提供一種車(chē)輛充電系統(tǒng)。所述車(chē)輛充電系統(tǒng)包括DC接口 ；AC 接口 ；第一雙向轉(zhuǎn)換模塊，聯(lián)接到所述DC接口 ；和第二雙向轉(zhuǎn)換模塊，聯(lián)接到所述AC接口。 隔離模塊聯(lián)接在所述第一雙向轉(zhuǎn)換模塊和所述第二雙向轉(zhuǎn)換模塊之間，所述隔離模塊提供 所述第一雙向轉(zhuǎn)換模塊和所述第二雙向轉(zhuǎn)換模塊之間的電隔離。控制模塊聯(lián)接到所述AC 接口、所述DC接口、所述第一雙向轉(zhuǎn)換模塊和所述第二雙向轉(zhuǎn)換模塊的控制模塊。所述控 制模塊配置為識(shí)別能量輸送方向；和基于所述能量輸送方向操作所述第一雙向轉(zhuǎn)換模塊 和所述第二雙向轉(zhuǎn)換模塊，使得所述DC接口處的DC電流處于與所述能量輸送方向相對(duì)應(yīng) 的方向上。
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本發(fā)明涉及下述技術(shù)方案。1. 一種充電系統(tǒng)，包括第一雙向轉(zhuǎn)換模塊；第二雙向轉(zhuǎn)換模塊；聯(lián)接到所述第一雙向轉(zhuǎn)換模塊的接口 ；聯(lián)接在所述第一雙向轉(zhuǎn)換模塊和所述第二雙向轉(zhuǎn)換模塊之間的隔離模塊，所述隔 離模塊提供所述第一雙向轉(zhuǎn)換模塊和所述第二雙向轉(zhuǎn)換模塊之間的電隔離；和聯(lián)接到所述第一雙向轉(zhuǎn)換模塊和所述第二雙向轉(zhuǎn)換模塊的控制模塊，所述控制模 塊配置為識(shí)別所述充電系統(tǒng)的能量輸送方向；和基于所述能量輸送方向操作所述第一雙向轉(zhuǎn)換模塊和所述第二雙向轉(zhuǎn)換模塊，使 得所述接口處的電流處于與所述能量輸送方向相對(duì)應(yīng)的方向上。2.根據(jù)方案1所述的充電系統(tǒng)，還包括聯(lián)接到所述接口的DC能量源，所述DC能量源具有DC電壓；聯(lián)接到所述第二雙向轉(zhuǎn)換模塊的AC能量源，所述AC能量源具有AC電壓，其中基于所述能量輸送方向操作所述第一雙向轉(zhuǎn)換模塊和所述第二雙向轉(zhuǎn)換模塊，使 得所述接口處的DC電流處于與所述能量輸送方向相對(duì)應(yīng)的方向上。3.根據(jù)方案2所述的充電系統(tǒng)，所述AC能量源在AC接口處聯(lián)接到所述第二雙向 轉(zhuǎn)換模塊，其中當(dāng)所述能量輸送方向?qū)?yīng)于從所述DC能量源流出的所述DC電流時(shí)，所述控 制模塊操作所述第一雙向轉(zhuǎn)換模塊以將DC電壓轉(zhuǎn)換為所述隔離模塊處的第一高頻率電 壓，并且所述隔離模塊響應(yīng)于所述第一高頻率電壓產(chǎn)生第二高頻率電壓；和操作所述第二雙向轉(zhuǎn)換模塊以將來(lái)自所述隔離模塊的所述第二高頻率電壓轉(zhuǎn)換 為所述AC接口處的AC電壓。4.根據(jù)方案3所述的充電系統(tǒng)，其中所述控制模塊配置為基于所述DC電壓對(duì)所述 AC電壓之比調(diào)節(jié)所述隔離模塊的匝數(shù)比，其中所述隔離模塊基于所述匝數(shù)比產(chǎn)生具有一定 幅值的所述第二高頻率電壓。5.根據(jù)方案2所述的充電系統(tǒng)，所述DC能量源在所述接口處聯(lián)接到所述第一雙向 轉(zhuǎn)換模塊，其中當(dāng)所述能量輸送方向?qū)?yīng)于流動(dòng)至所述DC能量源的所述DC電流時(shí)所述控制模塊操作所述第二雙向轉(zhuǎn)換模塊以將AC電壓轉(zhuǎn)換為所述隔離模塊處的
第一高頻率電壓；所述隔離模塊響應(yīng)于所述第一高頻率電壓產(chǎn)生第二高頻率電壓；和所述第一雙向轉(zhuǎn)換模塊將所述第一高頻率電壓轉(zhuǎn)換為所述接口處的DC電壓。6.根據(jù)方案5所述的充電系統(tǒng)，其中所述控制模塊配置為基于所述DC電壓對(duì)所述 AC電壓之比調(diào)節(jié)所述隔離模塊的匝數(shù)比，其中所述隔離模塊基于所述匝數(shù)比產(chǎn)生具有一定 幅值的所述第一高頻率電壓。7.根據(jù)方案2所述的充電系統(tǒng)，還包括聯(lián)接到所述第二雙向轉(zhuǎn)換模塊的AC接口， 所述AC接口包括AC輸入功率連接器和AC輸出功率連接器，其中所述控制模塊配置為當(dāng)所述AC能量源聯(lián)接到所述AC輸出功率連接器時(shí)識(shí)別所述能量輸送方向?yàn)镈C
6至AC ；和當(dāng)所述DC能量源聯(lián)接到所述AC輸入功率連接器時(shí)識(shí)別所述能量輸送方向?yàn)锳C 至DC。8.根據(jù)方案1所述的充電系統(tǒng)，其中所述第一雙向轉(zhuǎn)換模塊包括第一節(jié)點(diǎn)；第二節(jié)點(diǎn)；聯(lián)接到所述隔離模塊的第三節(jié)點(diǎn)；聯(lián)接到所述隔離模塊的第四節(jié)點(diǎn)；第一開(kāi)關(guān)，聯(lián)接在所述第一節(jié)點(diǎn)和第三節(jié)點(diǎn)之間并且配置為提供從所述第一節(jié)點(diǎn) 至第三節(jié)點(diǎn)的電流的路徑；第一二極管，聯(lián)接在所述第一節(jié)點(diǎn)和第三節(jié)點(diǎn)之間并且配置為提供從所述第三節(jié) 點(diǎn)至第一節(jié)點(diǎn)的電流的路徑；第二開(kāi)關(guān)，聯(lián)接在所述第二節(jié)點(diǎn)和第三節(jié)點(diǎn)之間并且配置為提供從所述第三節(jié)點(diǎn) 至第二節(jié)點(diǎn)的電流的路徑；第二二極管，聯(lián)接在所述第二節(jié)點(diǎn)和第三節(jié)點(diǎn)之間并且配置為提供從所述第二節(jié) 點(diǎn)至第三節(jié)點(diǎn)的電流的路徑；第三開(kāi)關(guān)，聯(lián)接在所述第一節(jié)點(diǎn)和第四節(jié)點(diǎn)之間并且配置為提供從所述第一節(jié)點(diǎn) 至第四節(jié)點(diǎn)的電流的路徑；第三二極管，聯(lián)接在所述第一節(jié)點(diǎn)和第四節(jié)點(diǎn)之間并且配置為提供從所述第四節(jié) 點(diǎn)至第一節(jié)點(diǎn)的電流的路徑；第四開(kāi)關(guān)，聯(lián)接在所述第二節(jié)點(diǎn)和第四節(jié)點(diǎn)之間并且配置為提供從所述第四節(jié)點(diǎn) 至第二節(jié)點(diǎn)的電流的路徑；和第四二極管，聯(lián)接在所述第二節(jié)點(diǎn)和第四節(jié)點(diǎn)之間并且配置為提供從所述第二節(jié) 點(diǎn)至第四節(jié)點(diǎn)的電流的路徑；9.根據(jù)方案8所述的充電系統(tǒng)，其中所述第二雙向轉(zhuǎn)換模塊包括第五節(jié)點(diǎn)；第六節(jié)點(diǎn)；聯(lián)接到所述隔離模塊的第七節(jié)點(diǎn)；聯(lián)接到所述隔離模塊的第八節(jié)點(diǎn)；第一組開(kāi)關(guān)，聯(lián)接在所述第五節(jié)點(diǎn)和第七節(jié)點(diǎn)之間，所述第一組開(kāi)關(guān)中的每個(gè)開(kāi) 關(guān)具有與各自開(kāi)關(guān)反向平行配置的二極管；第二組開(kāi)關(guān)，聯(lián)接在所述第六節(jié)點(diǎn)和第七節(jié)點(diǎn)之間，所述第二組開(kāi)關(guān)中的每個(gè)開(kāi) 關(guān)具有與各自開(kāi)關(guān)反向平行配置的二極管；第三組開(kāi)關(guān)，聯(lián)接在所述第五節(jié)點(diǎn)和第八節(jié)點(diǎn)之間，所述第三組開(kāi)關(guān)中的每個(gè)開(kāi) 關(guān)具有與各自開(kāi)關(guān)反向平行配置的二極管；和第四組開(kāi)關(guān)，聯(lián)接在所述第六節(jié)點(diǎn)和第八節(jié)點(diǎn)之間，所述第四組開(kāi)關(guān)中的每個(gè)開(kāi) 關(guān)具有與各自開(kāi)關(guān)反向平行配置的二極管。10. 一種控制充電系統(tǒng)的方法，所述充電系統(tǒng)包括在DC接口處聯(lián)接到DC能量源的 第一雙向轉(zhuǎn)換模塊和在AC接口處聯(lián)接到AC能量源的第二雙向轉(zhuǎn)換模塊，所述AC能量源具
7有AC電壓，所述方法包括識(shí)別所述充電系統(tǒng)的能量輸送方向，所述能量輸送方向?qū)?yīng)于所述DC接口處的 DC電流的方向；和基于所述能量輸送方向操作所述第一雙向轉(zhuǎn)換模塊和所述第二雙向轉(zhuǎn)換模塊，使 得所述DC電流在與所述能量輸送方向相對(duì)應(yīng)的方向上流動(dòng)。11.根據(jù)方案10所述的方法，其中操作所述第一雙向轉(zhuǎn)換模塊和所述第二雙向轉(zhuǎn) 換模塊包括調(diào)制所述第一雙向轉(zhuǎn)換模塊的開(kāi)關(guān)使得DC電流在所述能量輸送方向上流動(dòng)。12.根據(jù)方案10所述的方法，所述DC能量源具有DC電壓，其中如果所述能量輸送 方向?qū)?yīng)于DC至AC，所述方法還包括操作所述第一雙向轉(zhuǎn)換模塊以將DC電壓轉(zhuǎn)換為第一高頻率電壓；響應(yīng)于所述第一高頻率電壓產(chǎn)生第二高頻率電壓；和操作所述第二雙向轉(zhuǎn)換模塊以將所述第二高頻率電壓轉(zhuǎn)換為所述AC接口處的AC 電壓，其中AC電流從所述充電系統(tǒng)流動(dòng)至所述AC能量源。13.根據(jù)方案10所述的方法，所述DC能量源具有DC電壓，其中如果所述能量輸送 方向?qū)?yīng)于AC至DC，所述方法還包括操作所述第二雙向轉(zhuǎn)換模塊以將AC電壓轉(zhuǎn)換為第一高頻率電壓，其中AC電流從 所述AC能量源流動(dòng)至所述充電系統(tǒng)，所述AC電流基本上與所述AC電壓同相；響應(yīng)于所述第一高頻率電壓產(chǎn)生第二高頻率電壓；和操作所述第一雙向轉(zhuǎn)換模塊以將所述第二高頻率電壓轉(zhuǎn)換為所述DC接口處的DC 電壓。14.根據(jù)方案10所述的方法，其中所述充電系統(tǒng)包括聯(lián)接在所述第一雙向轉(zhuǎn)換模 塊和所述第二雙向轉(zhuǎn)換模塊之間的隔離模塊，其中所述方法還包括基于所述DC能量源的 DC電壓對(duì)所述AC電壓之比調(diào)節(jié)所述隔離模塊的匝數(shù)比。15. —種車(chē)輛充電系統(tǒng)，包括DC 接口；AC 接口；第一雙向轉(zhuǎn)換模塊，聯(lián)接到所述DC接口 ；第二雙向轉(zhuǎn)換模塊，聯(lián)接到所述AC接口 ；聯(lián)接在所述第一雙向轉(zhuǎn)換模塊和所述第二雙向轉(zhuǎn)換模塊之間的隔離模塊，所述隔 離模塊提供所述第一雙向轉(zhuǎn)換模塊和所述第二雙向轉(zhuǎn)換模塊之間的電隔離；和聯(lián)接到所述AC接口、所述DC接口、所述第一雙向轉(zhuǎn)換模塊和所述第二雙向轉(zhuǎn)換模 塊的控制模塊，其中所述控制模塊配置為識(shí)別能量輸送方向；和基于所述能量輸送方向操作所述第一雙向轉(zhuǎn)換模塊和所述第二雙向轉(zhuǎn)換模塊，使 得所述DC接口處的DC電流處于與所述能量輸送方向相對(duì)應(yīng)的方向上。16.根據(jù)方案15所述的車(chē)輛充電系統(tǒng)，還包括聯(lián)接到所述AC接口的AC能量源；聯(lián)接到所述DC接口的DC能量源，所述DC能量源具有DC電壓，其中當(dāng)所述能量輸 送方向?qū)?yīng)于DC至AC時(shí)，所述控制模塊
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操作所述第一雙向轉(zhuǎn)換模塊以將DC電壓轉(zhuǎn)換為所述隔離模塊處的第一高頻率電 壓，其中所述隔離模塊響應(yīng)于所述第一高頻率電壓產(chǎn)生第二高頻率電壓；和操作所述第二雙向轉(zhuǎn)換模塊以將來(lái)自所述隔離模塊的所述第二高頻率電壓轉(zhuǎn)換 為所述AC接口處的AC電壓，使得所述AC電流流動(dòng)至所述AC能量源。17.根據(jù)方案16所述的車(chē)輛充電系統(tǒng)，所述第一雙向轉(zhuǎn)換模塊包括聯(lián)接在所述DC 接口和所述隔離模塊之間的第一多個(gè)開(kāi)關(guān)，并且所述第二雙向轉(zhuǎn)換模塊包括聯(lián)接在所述AC 接口和所述隔離模塊之間的第二多個(gè)開(kāi)關(guān)，其中所述控制模塊配置為調(diào)制所述第一多個(gè)開(kāi)關(guān)以將所述DC電壓轉(zhuǎn)換為所述第一高頻率電壓；和調(diào)制所述第二多個(gè)開(kāi)關(guān)以將所述第二高頻率電壓轉(zhuǎn)換為所述AC電壓。18.根據(jù)方案15所述的車(chē)輛充電系統(tǒng)，還包括聯(lián)接到所述AC接口的AC能量源；和聯(lián)接到所述DC接口的DC能量源，所述DC能量源具有DC電壓，其中當(dāng)所述能量輸 送方向?qū)?yīng)于AC至DC時(shí)所述控制模塊操作所述第二雙向轉(zhuǎn)換模塊以將AC電壓轉(zhuǎn)換為所述隔離模塊處的
第一高頻率電壓；所述隔離模塊響應(yīng)于所述第一高頻率電壓產(chǎn)生第二高頻率電壓；和所述第一雙向轉(zhuǎn)換模塊將所述第一高頻率電壓轉(zhuǎn)換為所述DC接口處的DC電壓。19.根據(jù)方案18所述的車(chē)輛充電系統(tǒng)，所述第二雙向轉(zhuǎn)換模塊包括聯(lián)接在所述AC 接口和所述隔離模塊之間的多個(gè)開(kāi)關(guān)，其中所述控制模塊配置為調(diào)制所述多個(gè)開(kāi)關(guān)以將所 述AC電壓轉(zhuǎn)換為所述第一高頻率電壓。20.根據(jù)方案18所述的車(chē)輛充電系統(tǒng)，其中所述控制模塊聯(lián)接到所述隔離模塊并 且配置為基于所述DC電壓對(duì)所述AC電壓之比調(diào)節(jié)所述隔離模塊的匝數(shù)比，其中所述隔離 模塊基于所述匝數(shù)比響應(yīng)于具有一定幅值的所述第一高頻率電壓產(chǎn)生所述第二高頻率電 壓。本發(fā)明內(nèi)容被提供以簡(jiǎn)化的形式介紹概念的選擇，這在下面在詳細(xì)說(shuō)明中進(jìn)一步 進(jìn)行描述。本發(fā)明內(nèi)容不是用于指出要求保護(hù)的主題的關(guān)鍵特征或必要特征，也不是用于 輔助確定要求保護(hù)的主題的范圍。


通過(guò)結(jié)合附圖考慮該詳細(xì)說(shuō)明和權(quán)利要求，可得到對(duì)本發(fā)明主題的更全面的理 解，其中在所有附圖中，相似的附圖標(biāo)記指代相似的元件。圖1為根據(jù)一個(gè)實(shí)施例的適于用在車(chē)輛中的充電系統(tǒng)的示意圖；和圖2為根據(jù)一個(gè)實(shí)施例的適于用于圖1的充電系統(tǒng)的充電系統(tǒng)控制方法的流程 圖。
具體實(shí)施例方式下面的詳細(xì)說(shuō)明本質(zhì)上僅為舉例說(shuō)明性的，并非旨在限制本發(fā)明主題的實(shí)施例或 這些實(shí)施例的應(yīng)用和使用。如這里所使用的，詞語(yǔ)“示例性”的含義是“用作示例、例子或例 證”。這里描述為示例性的任何實(shí)施方式不必被解釋為是優(yōu)于其它實(shí)施方式或比其它實(shí)施
9方式更有利。并且，在前面的技術(shù)領(lǐng)域、背景技術(shù)、發(fā)明內(nèi)容或后面的詳細(xì)說(shuō)明中出現(xiàn)的任 何明示或隱含的理論都不用于限制。參照操作的符號(hào)表征、處理任務(wù)和可由不同的計(jì)算部件或裝置執(zhí)行的功能，這里 可從功能和/或邏輯塊部件方面描述工藝和技術(shù)。應(yīng)該認(rèn)識(shí)到，附圖中示出的各種塊部件 可由任意數(shù)量的被配置為執(zhí)行特定功能的硬件、軟件和/或固件實(shí)現(xiàn)。例如，系統(tǒng)或部件的 實(shí)施例可采用各種集成電路部件，例如存儲(chǔ)器元件、數(shù)字信號(hào)處理元件、邏輯元件、查找表 等，其可在一個(gè)或多個(gè)微處理器或其它控制裝置的控制下執(zhí)行多種功能。如這里所使用的那樣，“節(jié)點(diǎn)”的含義是任何內(nèi)部或外部參考點(diǎn)、連接點(diǎn)、結(jié)合點(diǎn)、 信號(hào)線(xiàn)、導(dǎo)電元件等，在節(jié)點(diǎn)處，會(huì)呈現(xiàn)出給定信號(hào)、邏輯水平、電壓、數(shù)據(jù)類(lèi)型、電流或數(shù) 量。并且，兩個(gè)或更多個(gè)節(jié)點(diǎn)可由一個(gè)物理元件實(shí)現(xiàn)(并且兩個(gè)或多個(gè)信號(hào)可被復(fù)用、調(diào)制 或以其它方式被區(qū)分，即使在一個(gè)公共節(jié)點(diǎn)處被接收或輸出也是如此)。下面的說(shuō)明提及到元件或節(jié)點(diǎn)或特征被“連接”或“聯(lián)接”在一起。如這里所使用 的，除非以任何方式明確聲明之外，“連接”的含義是一個(gè)元件/節(jié)點(diǎn)/特征被直接接合到 (或直接連通到)另一元件/節(jié)點(diǎn)/特征，并且不是必須為機(jī)械式的。同樣，除非以任何方 式明確聲明之外，“聯(lián)接”的含義是一個(gè)元件/節(jié)點(diǎn)/特征被直接或間接接合到(或直接或 間接連通到)另一元件/節(jié)點(diǎn)/特征，并且不是必須為機(jī)械式的。因此，盡管附圖描繪元件 的一個(gè)示例性設(shè)置，但在描繪的主題中可出現(xiàn)另外的中間元件、裝置特征或部件。另外，某 些術(shù)語(yǔ)也可在下面的說(shuō)明中僅用于參考的目的，因此不傾向于進(jìn)行限制。術(shù)語(yǔ)“第一”、“第 二”和指代結(jié)構(gòu)的其它這種數(shù)量術(shù)語(yǔ)不隱含順序或次序，除非在上下文中清楚地表明。為了簡(jiǎn)潔，與電能和/功率轉(zhuǎn)換、電力充電系統(tǒng)、功率轉(zhuǎn)換器、變壓器結(jié)構(gòu)和/或設(shè) 計(jì)、脈寬調(diào)制(PWM)以及系統(tǒng)(以及系統(tǒng)的獨(dú)立工作部件)的其它功能方面相關(guān)的傳統(tǒng)技 術(shù)在這里可能不再詳細(xì)描述。并且，在這里包含的不同附圖中示出的連接線(xiàn)旨在表示不同 元件之間的示例性功能關(guān)系和/或物理聯(lián)接。應(yīng)該注意到，在本發(fā)明主題的一個(gè)實(shí)施例中， 可出現(xiàn)多個(gè)可替代的或附加的功能關(guān)系或物理連接。這里討論的技術(shù)和概念總體上涉及能夠雙向能量(或功率輸送)的充電系統(tǒng)，該 充電系統(tǒng)同時(shí)適應(yīng)于寬范圍的電壓、一致功率因素、電隔離、低諧波失真和高功率密度。該 充電系統(tǒng)可用于從例如主電源的AC能量源對(duì)DC能量源充電，例如對(duì)電動(dòng)和/或混合動(dòng)力 車(chē)輛中的可再充電電池充電，或者替代地可用于從DC能量源輸送能量到AC能量源，也稱(chēng)為 車(chē)輛到電網(wǎng)。圖1示出適于用在車(chē)輛(例如電動(dòng)和/或混合動(dòng)力車(chē)輛)中的充電系統(tǒng)100(或可 替代地，充電器或充電模塊)的示例性實(shí)施例。充電系統(tǒng)100包括但不限于第一接口 102、 第一雙向轉(zhuǎn)換模塊104、隔離模塊106、第二雙向轉(zhuǎn)換模塊108、感應(yīng)器110、電容器111第二 接口 112和控制模塊114。在示例性實(shí)施例中，控制模塊114被聯(lián)接到雙向轉(zhuǎn)換模塊104、 108，并且被配置為以這樣的方式操作雙向轉(zhuǎn)換模塊104、108，即實(shí)現(xiàn)進(jìn)入/離開(kāi)聯(lián)接到第 一接口 102的DC能量源116和進(jìn)入/離開(kāi)聯(lián)接到第二接口 112的AC能量源118的期望功 率流，如下面更詳細(xì)地描述的那樣。應(yīng)該理解的是，圖1是充電系統(tǒng)100的簡(jiǎn)化視圖，為了闡釋的目的，其不以任何方 式限制這里描述的本發(fā)明主題的范圍和可應(yīng)用性。因此，盡管圖1示出的是電路元件和/ 或端子之間的直接電連接，但是替代實(shí)施例可采用中間電路元件和/或部件，同時(shí)實(shí)現(xiàn)基本相似的功能。在示例性實(shí)施例中，第一接口 102被聯(lián)接到第一雙向轉(zhuǎn)換模塊104，該第一雙向轉(zhuǎn) 換模塊104又被聯(lián)接到隔離模塊106。隔離模塊106被聯(lián)接到第二雙向轉(zhuǎn)換模塊108，該 第二雙向轉(zhuǎn)換模塊108又被聯(lián)接到與AC接口 112聯(lián)接的感應(yīng)器110。在示例性實(shí)施例中， 控制模塊114被聯(lián)接到接口 102、112和雙向轉(zhuǎn)換模塊104、108。第一接口 102通常表示用 于將充電系統(tǒng)100聯(lián)接到DC能量源116的物理接口(例如端子、連接器等)。DC能量源 116 (或可替代地，儲(chǔ)能源或ESS)能夠以特定的DC電壓水平(Vdc)向充電系統(tǒng)100提供和 /或從充電系統(tǒng)100接收直流電(iDe)。根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，DC能量源116是能夠保存再生能 量的可再充電高電壓電池組。在其它實(shí)施例中，DC能量源116可包括電池、燃料電池、超級(jí) 電容器或其它合適的儲(chǔ)能裝置。在這一點(diǎn)上，DC能量源116可包括用于車(chē)輛中的電氣系統(tǒng) 和/或電動(dòng)機(jī)的主能源。例如，DC能量源116可被聯(lián)接到與電動(dòng)機(jī)聯(lián)接的功率逆變器，并 且被配置為通過(guò)功率逆變器驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)。在示例性實(shí)施例中，DC能量源116具有從約200 伏至約500伏DC范圍的名義DC電壓。以類(lèi)似的方式，第二接口 112通常表示用于將充電系統(tǒng)100聯(lián)接到AC能量源118 的物理接口(例如端子、連接器等)。AC能量源118(或電源)能夠以特定的AC電壓水平 (Vac)向充電系統(tǒng)100提供或從充電系統(tǒng)100接收AC電流(iA。)。如下面詳細(xì)描述，在示例 性實(shí)施例中，AC接口 112包括AC輸入功率連接器(或AC輸入功率端子)和AC輸出功率連 接器(AC輸出功率端子)，AC輸入功率連接器在從AC能量源118獲取能量和/或接收AC 電流時(shí)使用，AC輸出功率連接器在向AC能量源118提供能量和/或提供AC電流時(shí)使用。在示例性實(shí)施例中，AC能量源118被實(shí)現(xiàn)為用于建筑物、居民住宅或在電力網(wǎng)(例 如主電力或電網(wǎng))中的其它結(jié)構(gòu)的主電源或主電力系統(tǒng)。根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，AC能量源118 包括單相電源，其普遍用于大多數(shù)住宅結(jié)構(gòu)，且根據(jù)地理區(qū)域而改變。例如，在美國(guó)，AC能 量源118可被實(shí)現(xiàn)為60Hz的120伏(RMS)或240伏(RMS)，而在其它區(qū)域，AC能量源118 可被實(shí)現(xiàn)為50Hz的110伏(RMS)或220伏(RMS)。在可替代實(shí)施例中，AC能量源118可被 實(shí)現(xiàn)為適用于充電系統(tǒng)100的任何AC能量源。在示例性實(shí)施例中，取決于操作模式，第一雙向轉(zhuǎn)換模塊104在節(jié)點(diǎn)120、122處將 來(lái)自DC能量源116的DC能轉(zhuǎn)換為提供到隔離模塊106的高頻能，或者在節(jié)點(diǎn)120、122處 將來(lái)自隔離模塊106的高頻能轉(zhuǎn)換為提供給DC能量源116的DC能。在這一點(diǎn)上，取決于 操作模式，第一雙向轉(zhuǎn)換模塊104可以操作逆變器(例如，在將能量源116的DC能轉(zhuǎn)換為 高頻能時(shí))或作為整流器(例如，在將高頻AC能轉(zhuǎn)換為DC能時(shí))。在描繪的實(shí)施例中，第 一雙向轉(zhuǎn)換模塊104包括四個(gè)開(kāi)關(guān)(S9-S12)，每個(gè)開(kāi)關(guān)具有被配置為與各個(gè)開(kāi)關(guān)反向并聯(lián) 的二極管(D9-D12)。如圖所示，第一雙向轉(zhuǎn)換模塊104還包括電容器123，電容器123配置 為跨越DC接口 102電并聯(lián)以減小DC接口 102處的電壓波動(dòng)，如本領(lǐng)域中所認(rèn)識(shí)到的那樣。在示例性實(shí)施例中，開(kāi)關(guān)(S9-S12)為晶體管，并可以使用任何適當(dāng)?shù)陌雽?dǎo)體晶體 管實(shí)現(xiàn)，例如雙極結(jié)晶體管(例如IGBT)、場(chǎng)效應(yīng)晶體管(例如M0SFET)，或本領(lǐng)域已知的 任何可比較的裝置。開(kāi)關(guān)和二極管為反向并聯(lián)，其含義是開(kāi)關(guān)和二極管以反向或逆向極性 電力并聯(lián)。這種反向并聯(lián)配置允許雙向電流流動(dòng)，而單向地阻擋電壓，如本領(lǐng)域認(rèn)識(shí)到的那 樣。在此配置中，電流通過(guò)開(kāi)關(guān)的方向與允許通過(guò)對(duì)應(yīng)二極管的電流方向相反。這種反向 并聯(lián)二極管被連接為跨越每個(gè)開(kāi)關(guān)，當(dāng)對(duì)應(yīng)的開(kāi)關(guān)閉合時(shí)，為電流提供路徑以到達(dá)DC能量
11源116，用于對(duì)DC能量源116充電，同時(shí)開(kāi)關(guān)被調(diào)制(例如被打開(kāi)和/或閉合)以提供從 DC能量源116到隔離模塊106的電流的路徑，用于輸送(或加載)能量到AC能量源118。在這點(diǎn)上，開(kāi)關(guān)S9聯(lián)接在DC接口 102的節(jié)點(diǎn)150和節(jié)點(diǎn)120之間，并配置為當(dāng)開(kāi) 關(guān)S9閉合時(shí)提供從節(jié)點(diǎn)150到節(jié)點(diǎn)120的電流的路徑，同時(shí)二極管D9聯(lián)接在節(jié)點(diǎn)120和節(jié) 點(diǎn)150之間，并配置為提供從節(jié)點(diǎn)120到節(jié)點(diǎn)150的電流的路徑(即，二極管D9反向并聯(lián)于 開(kāi)關(guān)S9)。開(kāi)關(guān)Sll聯(lián)接在DC接口 102的節(jié)點(diǎn)152和節(jié)點(diǎn)120之間，并配置為當(dāng)開(kāi)關(guān)Sll 閉合時(shí)提供從節(jié)點(diǎn)152到節(jié)點(diǎn)120的電流的路徑，同時(shí)二極管Dll聯(lián)接在節(jié)點(diǎn)120和節(jié)點(diǎn) 152之間，并配置為提供從節(jié)點(diǎn)120到節(jié)點(diǎn)152的電流的路徑。以類(lèi)似的方式，開(kāi)關(guān)SlO聯(lián) 接在DC接口 102和節(jié)點(diǎn)122之間，并配置為當(dāng)開(kāi)關(guān)SlO閉合時(shí)提供從節(jié)點(diǎn)122到節(jié)點(diǎn)150 的電流的路徑，二極管DlO聯(lián)接在節(jié)點(diǎn)122和DC接口 102之間，并配置為提供從節(jié)點(diǎn)122 到節(jié)點(diǎn)150的電流的路徑；開(kāi)關(guān)S12聯(lián)接在DC接口 102和節(jié)點(diǎn)122之間，并配置為當(dāng)開(kāi)關(guān) S12閉合時(shí)提供從節(jié)點(diǎn)122到節(jié)點(diǎn)152的電流的路徑，二極管DlO聯(lián)接在節(jié)點(diǎn)122和DC接 口 102之間，并配置為提供從節(jié)點(diǎn)152到節(jié)點(diǎn)122的電流的路徑。在示例性實(shí)施例中，取決于操作模式，第二雙向轉(zhuǎn)換模塊108(或可替代地，矩陣 轉(zhuǎn)換模塊)有利于電流(或能)從AC能量源118流動(dòng)到隔離模塊106或從隔離模塊流動(dòng) 到AC能量源118，如下面更詳細(xì)地描述的那樣。在描繪的實(shí)施例中，第二雙向轉(zhuǎn)換模塊108 被實(shí)現(xiàn)為前端一致功率因素單相矩陣轉(zhuǎn)換器，其包括八個(gè)開(kāi)關(guān)(S1-S8)，每個(gè)開(kāi)關(guān)具有被配 置為以與前面針對(duì)第一雙向轉(zhuǎn)換模塊104提出的類(lèi)似的方式與對(duì)應(yīng)的開(kāi)關(guān)反向并聯(lián)的一 個(gè)二極管(D1-D8)。如圖1所示，第一組開(kāi)關(guān)(S1、S2)和二極管(D1、D2)被聯(lián)接在第二雙向轉(zhuǎn)換模塊 108 (或可替代地，矩陣轉(zhuǎn)換模塊)的節(jié)點(diǎn)130和節(jié)點(diǎn)124之間，其中第一對(duì)開(kāi)關(guān)和反向并聯(lián) 二極管(例如Sl和Dl)被配置為具有與第二對(duì)開(kāi)關(guān)和反向并聯(lián)二極管(S2和D2)相反的極 性。開(kāi)關(guān)Sl和二極管D2被配置為當(dāng)開(kāi)關(guān)Sl閉合(或接通)且從節(jié)點(diǎn)124到節(jié)點(diǎn)130的 電壓是正電壓(或者從節(jié)點(diǎn)130到節(jié)點(diǎn)124的電壓是負(fù)電壓)時(shí)，提供從節(jié)點(diǎn)124經(jīng)過(guò)開(kāi) 關(guān)Sl和二極管D2到達(dá)節(jié)點(diǎn)130的電流流動(dòng)路徑，開(kāi)關(guān)S2和二極管Dl被配置為當(dāng)開(kāi)關(guān)S2 閉合(或接通)且從節(jié)點(diǎn)124到節(jié)點(diǎn)130的電壓是負(fù)電壓(或者從節(jié)點(diǎn)130到節(jié)點(diǎn)124的 電壓是正電壓)時(shí)，提供從節(jié)點(diǎn)130經(jīng)過(guò)開(kāi)關(guān)S2和二極管Dl到達(dá)節(jié)點(diǎn)124的電流流動(dòng)路 徑。以類(lèi)似的方式，第二組開(kāi)關(guān)(S3、S4)和二極管(D3、D4)被聯(lián)接在節(jié)點(diǎn)130和節(jié)點(diǎn)126 之間，第三組開(kāi)關(guān)(S5、S6)和二極管(D5、D6)被聯(lián)接在節(jié)點(diǎn)128和節(jié)點(diǎn)124之間，第四組開(kāi) 關(guān)(S7、S8)和二極管(D7、D8)被聯(lián)接在節(jié)點(diǎn)128和節(jié)點(diǎn)126之間。在示例性實(shí)施例中，第 二雙向轉(zhuǎn)換模塊108的開(kāi)關(guān)(S1-S8)以這樣的方式調(diào)制，即使得AC電流(iAC)沿期望的方 向并且同時(shí)實(shí)現(xiàn)一致功率因素(在可行和/或?qū)嶋H工作容差內(nèi))而流動(dòng)，即來(lái)自AC能量源 118的AC電流(iAC)基本上與AC電壓(Vac)同相(在可行和/或?qū)嶋H工作容差內(nèi))。在示例性實(shí)施例中，感應(yīng)器110被配置為電力地串聯(lián)在AC接口 112的第一節(jié)點(diǎn) 132與矩陣轉(zhuǎn)換模塊108的節(jié)點(diǎn)128之間，而AC接口 112的第二節(jié)點(diǎn)134被聯(lián)接到矩陣轉(zhuǎn) 換模塊108的節(jié)點(diǎn)130。感應(yīng)器110在充電系統(tǒng)100工作期間作為高頻感應(yīng)儲(chǔ)能元件，如下 面更詳細(xì)地描述的那樣。電容器111聯(lián)接在節(jié)點(diǎn)132和節(jié)點(diǎn)134之間，并且電容器111和 感應(yīng)器110配置為在充電系統(tǒng)100從DC能量源116提供能量到AC能量源118時(shí)提供高頻 濾波，如下面詳細(xì)描述。
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在示例性實(shí)施例中，隔離模塊106在兩個(gè)轉(zhuǎn)換模塊104、108之間提供電隔離。在 該描繪的實(shí)施例中，隔離模塊106被實(shí)現(xiàn)為可被配置用于多個(gè)不同的匝數(shù)比的變壓器135。 在示例性實(shí)施例中，變壓器135被實(shí)現(xiàn)為高頻變壓器，也就是說(shuō)，被設(shè)計(jì)為在高頻下用于特 定功率水平的變壓器，例如轉(zhuǎn)換模塊104、108的開(kāi)關(guān)的切換頻率(例如50kHz)，使得變壓器 的物理尺寸相對(duì)于被設(shè)計(jì)為在低頻(例如主頻率)下用于相同功率水平的變壓器的尺寸減 小。如這里所使用的，隔離模塊106和/或變壓器135的匝數(shù)比應(yīng)該被理解為指的是變壓 器135的次級(jí)線(xiàn)圈(例如線(xiàn)圈136、138)的有效線(xiàn)圈匝數(shù)與變壓器135的初級(jí)線(xiàn)圈(例如 線(xiàn)圈140、142)的有效線(xiàn)圈匝數(shù)之比，或可替代地，節(jié)點(diǎn)120、122上的電壓與節(jié)點(diǎn)124、126、 141上的電壓之比。應(yīng)該認(rèn)識(shí)到，在本領(lǐng)域，響應(yīng)節(jié)點(diǎn)124、126、141處的高頻電壓，隔離模 塊106基于變壓器135的匝數(shù)比在節(jié)點(diǎn)120、122處產(chǎn)生一定幅值的高頻電壓，使得較大的 匝數(shù)比在節(jié)點(diǎn)120、122處產(chǎn)生較大幅值的電壓，而較小的匝數(shù)比在節(jié)點(diǎn)120、122處產(chǎn)生較 小幅值的電壓。在示例性實(shí)施例中，充電系統(tǒng)100和/或隔離模塊106被配置為用于多個(gè)工作模 式，每個(gè)工作模式對(duì)應(yīng)于變壓器135的多個(gè)不同的匝數(shù)比中的不同的匝數(shù)比。應(yīng)該注意到， 盡管變壓器135和/或隔離模塊106在這里可以在充電系統(tǒng)100和/或隔離模塊106被配 置為用于兩個(gè)工作模式(或兩個(gè)不同的匝數(shù)比)的上下文中進(jìn)行描述，應(yīng)該認(rèn)識(shí)到，充電系 統(tǒng)100和/或隔離模塊106可適于任何數(shù)量的工作模式和/或匝數(shù)比。在這一點(diǎn)上，工作 模式和/或匝數(shù)比將依賴(lài)于特定的應(yīng)用和充電系統(tǒng)100的各個(gè)接口 102、112處的電壓水平 的預(yù)期組合和/或范圍。換句話(huà)說(shuō)，隔離模塊106和/或變壓器135的匝數(shù)比可被配置為 用于能量源116、118和/或電壓水平的很多可能的組合。在示例性實(shí)施例中，隔離模塊106包括連接在第一雙向轉(zhuǎn)換模塊104的節(jié)點(diǎn)120、 122之間的第一組線(xiàn)圈136、連接在節(jié)點(diǎn)120、122之間的第二組線(xiàn)圈138、連接在節(jié)點(diǎn)126、 141之間的第三組線(xiàn)圈140和連接在節(jié)點(diǎn)124、141之間的第四組線(xiàn)圈142。為了闡釋的目 的，線(xiàn)圈組140、142在這里可被稱(chēng)為包括變壓器135的初級(jí)線(xiàn)圈級(jí)(或主線(xiàn)圈)，線(xiàn)圈組 136、138在這里可被稱(chēng)為包括變壓器135的次級(jí)線(xiàn)圈級(jí)(或次線(xiàn)圈)。主線(xiàn)圈140、142以 傳統(tǒng)方式被磁性聯(lián)接到次線(xiàn)圈136、138，如本領(lǐng)域認(rèn)識(shí)到的那樣。在示例性實(shí)施例中，切換元件144被連接在隔離模塊106的初級(jí)線(xiàn)圈級(jí)的節(jié)點(diǎn)141 和矩陣轉(zhuǎn)換模塊108的節(jié)點(diǎn)130之間。在這一點(diǎn)上，第三組線(xiàn)圈140和第四組線(xiàn)圈142被配 置為當(dāng)切換元件144斷開(kāi)(或切斷)時(shí)電氣串聯(lián)，而第一組線(xiàn)圈136和第二組線(xiàn)圈138被 配置為電氣并聯(lián)。因此，當(dāng)切換元件144被閉合(或接通)時(shí)，變壓器135的初級(jí)線(xiàn)圈級(jí)的 有效線(xiàn)圈匝數(shù)(例如主線(xiàn)圈140、142的有效匝數(shù))減少，使得閉合(或接通)切換元件144 增加隔離模塊106和/或變壓器135的匝數(shù)比。相反，當(dāng)切換元件144被斷開(kāi)(或切斷) 時(shí)，兩組主線(xiàn)圈140、142串聯(lián)，且兩組次線(xiàn)圈136、138并聯(lián)，使得斷開(kāi)切換元件144降低了 隔離模塊106和/或變壓器135的匝數(shù)比。切換元件144可使用適合的半導(dǎo)體晶體管而被 實(shí)現(xiàn)，例如雙極結(jié)晶體管(例如IGBT)、場(chǎng)效應(yīng)晶體管(例如M0SFET)或本領(lǐng)域已知的任何 其它可比較裝置。如前面提到的那樣，應(yīng)該認(rèn)識(shí)到，隔離模塊106和/變壓器135可適于包 括另外的線(xiàn)圈組和另外的切換元件，以適應(yīng)于任何數(shù)量的匝數(shù)比和/或工作模式。在這一 點(diǎn)上，應(yīng)該注意到，線(xiàn)圈組136、138、140、142中的線(xiàn)圈匝數(shù)可根據(jù)特定應(yīng)用的需要修改，而 本發(fā)明主題并不被限制于任何特定的配置或特定數(shù)量的線(xiàn)圈匝數(shù)。
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控制模塊114通常表示硬件、固件和/或軟件，其被配置為調(diào)制雙向轉(zhuǎn)換模塊104、 108的開(kāi)關(guān)，以在DC能量源116和AC能量源118之間達(dá)到期望的功率流，如下面更詳細(xì)地 描述的那樣。通過(guò)被設(shè)計(jì)為支持和/或執(zhí)行這里描述的功能的通用處理器、微處理器、微控 制器、內(nèi)容可尋址存儲(chǔ)器、數(shù)字信號(hào)處理器、特定應(yīng)用集成電路、現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列、任何適 合的可編程邏輯裝置、離散門(mén)邏輯、晶體管邏輯、分離硬件元件或它們的任何組合，控制模 塊114可被實(shí)施或?qū)崿F(xiàn)。如下面更詳細(xì)描述，在示例性實(shí)施例中，控制模塊114識(shí)別充電系統(tǒng)100的能量輸 送方向，該能量輸送方向?qū)?yīng)于在DC接口 102處的DC電流(iDC)的方向。在這點(diǎn)上，如果能 量輸送方向?qū)?yīng)于從DC能量源116流動(dòng)到AC能量源118的DC電流(例如，iDC > 0)，也就 是說(shuō)，從DC能量源116輸送能量到AC能量源118 (或者替代地，DC至AC能量輸送方向)， 則控制模塊114通過(guò)調(diào)制開(kāi)關(guān)(S9-S12)將第一雙向轉(zhuǎn)換模塊104操作為功率逆變器以將 DC電壓(Vdc)轉(zhuǎn)換為節(jié)點(diǎn)120、122處的高頻率電壓，并且通過(guò)調(diào)制開(kāi)關(guān)(S1-S8)將第二雙向 轉(zhuǎn)換模塊108操作為循環(huán)換流器以將節(jié)點(diǎn)124、126、141處的高頻率電壓轉(zhuǎn)換為AC接口 112 處的低頻率AC電壓(VA。)，使得AC電流(iAC)流動(dòng)到AC能量源118。如果能量輸送方向?qū)?應(yīng)于從第一雙向轉(zhuǎn)換模塊104流動(dòng)到DC能量源116的DC電流(例如，iDC < 0)，也就是說(shuō)， 從AC能量源118輸送能量到DC能量源116 (或者替代地，AC至DC能量輸送方向)，則控制 模塊114通過(guò)調(diào)制開(kāi)關(guān)(S1-S8)將AC電壓(Vac)轉(zhuǎn)換為高頻率電壓，使得AC電流(iAC)從 AC能量源118流出，并且與AC電壓(VA。)同相。在示例性實(shí)施例中，隔離模塊106在節(jié)點(diǎn) 102、122處產(chǎn)生高頻率電壓，該高頻率電壓被第一雙向轉(zhuǎn)換模塊104的二極管(D9-D12)整 流以在DC電壓水平(VDe)下提供電流到DC能量源116，該電流對(duì)DC能量源116充電?，F(xiàn)在參見(jiàn)圖2，在示例性實(shí)施例中，充電系統(tǒng)可被配置為執(zhí)行下面描述的充電系統(tǒng) 控制方法200和附加的任務(wù)、功能和操作。各種任務(wù)可通過(guò)軟件、硬件固件或其任意組合被 執(zhí)行。為了描繪的目的，下面的說(shuō)明可引用結(jié)合圖1提到的元件。在實(shí)踐中，任務(wù)、功能和 操作可由描述的系統(tǒng)的不同元件執(zhí)行，例如第一雙向轉(zhuǎn)換模塊104、隔離模塊106、矩陣轉(zhuǎn) 換模塊108、和/或控制模塊114。應(yīng)該認(rèn)識(shí)到，任何數(shù)量的附加或可替代的任務(wù)可被包括， 并且可合并到下面沒(méi)有詳細(xì)描述的具有附加功能的更復(fù)雜的程序或過(guò)程中。參見(jiàn)圖2，并且繼續(xù)參見(jiàn)圖1，充電系統(tǒng)控制方法200可被執(zhí)行，以允許充電系統(tǒng) 100適應(yīng)于雙向能量輸送，也就是說(shuō)，從DC能量源提供能量給AC能量源或者從AC能量源 給DC能量源充電。在示例性實(shí)施例中，通過(guò)識(shí)別充電系統(tǒng)的能量輸送方向(任務(wù)202)，充 電系統(tǒng)控制過(guò)程200開(kāi)始。在這點(diǎn)上，如上所述，能量輸送方向?qū)?yīng)于從DC能量源116到 充電系統(tǒng)100或從充電系統(tǒng)100到DC能量源116的DC電流(iDC)的方向。DC至AC能量 輸送方向?qū)?yīng)于從DC能量源116流出的DC電流(例如，iDC > 0)，和流動(dòng)到AC能量源118 的AC電流(也就是說(shuō)，從DC能量源116輸送能量到AC能量源118)。AC至DC能量輸送方 向?qū)?yīng)于從AC能量源118至充電系統(tǒng)100的AC電流(其導(dǎo)致流動(dòng)至DC能量源116的DC 電流)(例如，iDC < 0)，也就是說(shuō)，從AC能量源118給DC能量源116充電。在示例性實(shí)施例中，充電系統(tǒng)控制方法200和/或控制模塊114基于AC能量源118 至AC接口 112的配置和/或聯(lián)接來(lái)識(shí)別能量輸送方向。例如，如果AC接口 112包括AC輸 入功率連接器(或AC功率輸入端子)和AC輸出功率連接器(或AC輸出功率端子)，當(dāng)控 制模塊114檢測(cè)到AC能量源118經(jīng)由AC輸入功率連接器聯(lián)接到AC接口 112時(shí)控制模塊114可以識(shí)別AC至DC的能量輸送方向。替代地，如果控制模塊114檢測(cè)到AC能量源118 經(jīng)由AC輸出功率連接器聯(lián)接到AC接口 112，控制模塊114確定DC至AC的能量輸送方向。 在替代實(shí)施例中，充電系統(tǒng)控制方法200和/或控制模塊114可以響應(yīng)于來(lái)自車(chē)輛電氣系 統(tǒng)的另一個(gè)部件的用戶(hù)輸入或指令(例如，來(lái)自電子控制單元(ECU)的指令)來(lái)識(shí)別能量 輸送方向。在示例性實(shí)施例中，充電系統(tǒng)控制方法200通過(guò)獲取聯(lián)接到充電系統(tǒng)的能量源的 電壓水平而繼續(xù)(任務(wù)204)。例如，控制模塊114可通過(guò)獲取充電系統(tǒng)100的DC接口 102 處的DC電壓(Vdc)(例如通過(guò)適當(dāng)配置的傳感設(shè)置)而獲取DC能源的電壓水平。在可替代 實(shí)施例中，DC接口 102處的期望電壓水平可被預(yù)先確定和保存在控制模塊114中，或者DC 接口 102處的期望電壓水平可由使用者選擇并且被提供到控制模塊114和/或充電系統(tǒng) 100。通過(guò)獲取充電系統(tǒng)100的AC接口 112處的AC電壓(Vac)，控制模塊114可獲取AC能 量源的電壓水平。在示例性實(shí)施例中，充電系統(tǒng)控制方法200通過(guò)基于獲取的電壓水平來(lái)配置隔離 模塊而繼續(xù)(任務(wù)206)。在這一點(diǎn)上，充電系統(tǒng)控制過(guò)程200和/或控制模塊114基于DC 接口 102處的DC電壓(Vdc)與AC接口 112處的AC電壓(Vac)之比為隔離模塊106確定合 適的匝數(shù)比，并且調(diào)節(jié)隔離模塊106 (例如，通過(guò)斷開(kāi)或閉合切換元件144)以實(shí)現(xiàn)期望的匝 數(shù)比。當(dāng)DC接口 102處的DC電壓(Vdc)與AC接口 112處的AC電壓(Vac)之比為使得隔離 模塊106的匝數(shù)比應(yīng)該降低(例如，為了步進(jìn)降低AC電壓(Vac)以適應(yīng)DC電壓(VDC)，或者 替代地，為了步進(jìn)增大DC電壓(VD。)以適應(yīng)AC電壓(VA。))時(shí)，控制模塊114例如通過(guò)斷開(kāi) (或者切斷)切換元件144來(lái)降低隔離模塊106的匝數(shù)比。在示例性實(shí)施例中，當(dāng)AC接口 112處的AC電壓的峰值大于DC接口 102處的DC電壓水平時(shí)，換言之，色^xVac > Foe (其 中VAC是AC接口 112處的RMS(均方根)電壓)時(shí)，控制模塊114降低隔離模塊106的匝 數(shù)比。以類(lèi)似方式，當(dāng)DC接口 102處的DC電壓(Vdc)與AC接口 112處的AC電壓(Vac)之 比為使得隔離模塊106的匝數(shù)比應(yīng)該增大(例如，為了步進(jìn)增大AC電壓(Vac)以適應(yīng)DC電 壓(VDC)，或者替代地，為了步進(jìn)降低DC電壓(Vdc)以適應(yīng)AC電壓(Vac))時(shí)，控制模塊114 例如通過(guò)閉合(或者接通)切換元件144來(lái)增大隔離模塊106的匝數(shù)比。在示例性實(shí)施例 中，當(dāng)AC接口 112處的AC電壓的峰值小于或等于DC接口 102處的DC電壓水平時(shí)，換言 之，當(dāng)V^xtc^Gc (其中VAC是AC接口 112處的RMS(均方根)電壓)時(shí)，控制模塊114 增大隔離模塊106的匝數(shù)比。根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，控制模塊114配置為在AC電壓的峰值小于 DC電壓(VDe)時(shí)閉合切換元件144，并且在AC電壓的峰值大于DC電壓(VDe)時(shí)斷開(kāi)切換元 件 144。在示例性實(shí)施例中，充電系統(tǒng)控制方法200通過(guò)基于識(shí)別的能量輸送方向來(lái)操 作第一雙向轉(zhuǎn)換模塊而繼續(xù)(任務(wù)208)。在這點(diǎn)上，如果識(shí)別的能量輸送方向?qū)?yīng)于DC 至AC(例如，從DC能量源116輸送能量到AC能量源118)，控制模塊114通過(guò)調(diào)制開(kāi)關(guān) (S9-S12)將第一雙向轉(zhuǎn)換模塊104操作為功率逆變器以在節(jié)點(diǎn)120、122處產(chǎn)生高頻率電 壓。例如，根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，控制模塊114利用PWM技術(shù)調(diào)制開(kāi)關(guān)(S9-S12)以在節(jié)點(diǎn)120、 122處產(chǎn)生在充電系統(tǒng)100的切換頻率(例如50kHz)下百分之五十占空比的電壓。如果識(shí) 別的能量輸送方向?qū)?yīng)于AC至DC (例如，從AC能量源118對(duì)DC能量源116充電)，根據(jù)一 個(gè)實(shí)施例，控制模塊114通過(guò)在節(jié)點(diǎn)122處電壓大于節(jié)點(diǎn)120處電壓時(shí)閉合(或接通)開(kāi)
15關(guān)S9和S12并斷開(kāi)(或切斷)SlO和Sll以及在節(jié)點(diǎn)122處電壓小于節(jié)點(diǎn)120處電壓時(shí)斷 開(kāi)(或切斷)開(kāi)關(guān)S9和S12并閉合(或接通)SlO和S11，將第一雙向轉(zhuǎn)換模塊104操作為 同步整流器以將節(jié)點(diǎn)120/122處的電壓整流為DC電壓水平(Vdc)。在替代實(shí)施例中，第一雙 向轉(zhuǎn)換模塊104可以操作為全波橋接整流器(例如通過(guò)維持開(kāi)關(guān)(S9-S12)斷開(kāi)或切斷)。充電系統(tǒng)控制方法200通過(guò)基于識(shí)別的能量輸送方向和獲得的能量源電壓來(lái)操 作第二雙向轉(zhuǎn)換模塊而繼續(xù)(任務(wù)210)。在這點(diǎn)上，控制模塊114調(diào)制矩陣轉(zhuǎn)換模塊108 的開(kāi)關(guān)(S1-S8)以實(shí)現(xiàn)AC接口 112處的一致功率因素和低諧波失真，同時(shí)實(shí)現(xiàn)期望電流。 如果識(shí)別的能量輸送方向?qū)?yīng)于DC至AC，控制模塊114在切換頻率下調(diào)制開(kāi)關(guān)(S1-S8)以 將來(lái)自隔離模塊106的高頻率電壓轉(zhuǎn)換為AC接口 112處的AC電壓水平(VAe)和頻率，同時(shí) 實(shí)現(xiàn)流動(dòng)至AC能量源118的AC電流。根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，控制模塊114操作矩陣轉(zhuǎn)換模塊 108使得在AC接口 112處的AC電壓基本上與AC能量源118同步，也就是說(shuō)，在AC接口 112 處的AC電壓具有與AC能量源118相同的頻率(在實(shí)際和/或可行工作容差內(nèi))。根據(jù)該 實(shí)施例，控制模塊114操作矩陣轉(zhuǎn)換模塊108以向AC能量源118提供更寬范圍的主動(dòng)和/ 或反應(yīng)能量流，用于功率因素修正、電壓調(diào)節(jié)或減小AC能量源118的負(fù)載的目的。如果識(shí) 別的能量輸送方向?qū)?yīng)于AC至DC，控制模塊114在切換頻率下調(diào)制矩陣轉(zhuǎn)換模塊108的 開(kāi)關(guān)(S1-S8)以將AC接口 112處的AC電壓轉(zhuǎn)換為隔離模塊106的高頻率電壓，該高頻率 電壓繼而產(chǎn)生在節(jié)點(diǎn)120、122處的高頻率電壓，在節(jié)點(diǎn)120、122處的高頻率電壓導(dǎo)致DC接 口 102處的期望DC電壓水平(Vdc)。此外，控制模塊114操作矩陣轉(zhuǎn)換模塊108以實(shí)現(xiàn)AC 接口 112處的一致功率因素，也就是說(shuō)，從AC能量源118流出的AC電流(iAC)基本上與AC 接口 112處的AC電壓(Vac)同相。在示例性實(shí)施例中，控制模塊114利用高頻率PWM技術(shù)來(lái)調(diào)制矩陣轉(zhuǎn)換模塊108 的開(kāi)關(guān)(S1-S8)，其具有在切換頻率下的可變占空比。在示例性實(shí)施例中，控制模塊114實(shí) 現(xiàn)與識(shí)別的能量輸送方向相對(duì)應(yīng)的適當(dāng)切換模式和/或狀態(tài)機(jī)，并且基本上通過(guò)在切換間 隔(其等于切換頻率(fs)的倒數(shù))期間狀態(tài)機(jī)的狀態(tài)來(lái)循環(huán)開(kāi)關(guān)(S1-S8)。根據(jù)一個(gè)實(shí)施 例，控制模塊114產(chǎn)生正弦脈寬調(diào)制(PWM)可變占空比控制信號(hào)，此信號(hào)控制狀態(tài)機(jī)切換并 由此控制開(kāi)關(guān)(S1-S8)的占空比。例如，在示例性實(shí)施例中，控制模塊114調(diào)制矩陣轉(zhuǎn)換模 塊108的開(kāi)關(guān)(S1-S8)的占空比以在充電系統(tǒng)100的整個(gè)操作中按需要在通過(guò)矩陣轉(zhuǎn)換模 塊108循環(huán)能量與輸送能量到AC能量源118或從AC能量源118輸送能量之間交替。簡(jiǎn)而言之，上述的系統(tǒng)和/或方法的優(yōu)點(diǎn)是，充電系統(tǒng)能夠適用于雙向功率輸送 (例如，從AC能量源向DC能量源充電或從DC能量源向AC能量源輸送能量)。在這一點(diǎn)上， 第二雙向能量轉(zhuǎn)換模塊108和隔離模塊106被協(xié)作地配置為單個(gè)功率級(jí)，其適用于寬的電 壓范圍和AC接口處的一致功率因素，同時(shí)實(shí)現(xiàn)電隔離和高功率密度。盡管在前面的詳細(xì)說(shuō)明書(shū)中已經(jīng)呈現(xiàn)了至少一個(gè)示例性實(shí)施例，應(yīng)該認(rèn)識(shí)到，存 在大量的變型。還應(yīng)該認(rèn)識(shí)到，這里描述的示例性實(shí)施例或多個(gè)示例性實(shí)施例不傾向于以 任何方式限制要求保護(hù)的主題的范圍、應(yīng)用或配置。而是，前面的詳細(xì)說(shuō)明書(shū)將向本領(lǐng)域技 術(shù)人員提供用于實(shí)施所描述的實(shí)施例或多個(gè)實(shí)施例的便捷途徑。應(yīng)該理解的是，在不脫離 由權(quán)利要求限定的范圍的情況下可以對(duì)元件的功能和設(shè)置進(jìn)行各種改變，包括本專(zhuān)利申請(qǐng) 遞交日的已知的等同物和可預(yù)見(jiàn)的等同物。
1權(quán)利要求
1.一種充電系統(tǒng)，包括 第一雙向轉(zhuǎn)換模塊； 第二雙向轉(zhuǎn)換模塊；聯(lián)接到所述第一雙向轉(zhuǎn)換模塊的接口；聯(lián)接在所述第一雙向轉(zhuǎn)換模塊和所述第二雙向轉(zhuǎn)換模塊之間的隔離模塊，所述隔離模 塊提供所述第一雙向轉(zhuǎn)換模塊和所述第二雙向轉(zhuǎn)換模塊之間的電隔離；和聯(lián)接到所述第一雙向轉(zhuǎn)換模塊和所述第二雙向轉(zhuǎn)換模塊的控制模塊，所述控制模塊配 置為識(shí)別所述充電系統(tǒng)的能量輸送方向；和基于所述能量輸送方向操作所述第一雙向轉(zhuǎn)換模塊和所述第二雙向轉(zhuǎn)換模塊，使得所 述接口處的電流處于與所述能量輸送方向相對(duì)應(yīng)的方向上。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的充電系統(tǒng)，還包括聯(lián)接到所述接口的DC能量源，所述DC能量源具有DC電壓； 聯(lián)接到所述第二雙向轉(zhuǎn)換模塊的AC能量源，所述AC能量源具有AC電壓，其中 基于所述能量輸送方向操作所述第一雙向轉(zhuǎn)換模塊和所述第二雙向轉(zhuǎn)換模塊，使得所 述接口處的DC電流處于與所述能量輸送方向相對(duì)應(yīng)的方向上。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的充電系統(tǒng)，所述AC能量源在AC接口處聯(lián)接到所述第二雙向 轉(zhuǎn)換模塊，其中當(dāng)所述能量輸送方向?qū)?yīng)于從所述DC能量源流出的所述DC電流時(shí)，所述控 制模塊操作所述第一雙向轉(zhuǎn)換模塊以將DC電壓轉(zhuǎn)換為所述隔離模塊處的第一高頻率電壓， 并且所述隔離模塊響應(yīng)于所述第一高頻率電壓產(chǎn)生第二高頻率電壓；和操作所述第二雙向轉(zhuǎn)換模塊以將來(lái)自所述隔離模塊的所述第二高頻率電壓轉(zhuǎn)換為所 述AC接口處的AC電壓。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的充電系統(tǒng)，其中所述控制模塊配置為基于所述DC電壓對(duì)所述 AC電壓之比調(diào)節(jié)所述隔離模塊的匝數(shù)比，其中所述隔離模塊基于所述匝數(shù)比產(chǎn)生具有一定 幅值的所述第二高頻率電壓。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的充電系統(tǒng)，所述DC能量源在所述接口處聯(lián)接到所述第一雙向 轉(zhuǎn)換模塊，其中當(dāng)所述能量輸送方向?qū)?yīng)于流動(dòng)至所述DC能量源的所述DC電流時(shí)所述控制模塊操作所述第二雙向轉(zhuǎn)換模塊以將AC電壓轉(zhuǎn)換為所述隔離模塊處的第一 高頻率電壓；所述隔離模塊響應(yīng)于所述第一高頻率電壓產(chǎn)生第二高頻率電壓；和 所述第一雙向轉(zhuǎn)換模塊將所述第一高頻率電壓轉(zhuǎn)換為所述接口處的DC電壓。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的充電系統(tǒng)，其中所述控制模塊配置為基于所述DC電壓對(duì)所述 AC電壓之比調(diào)節(jié)所述隔離模塊的匝數(shù)比，其中所述隔離模塊基于所述匝數(shù)比產(chǎn)生具有一定 幅值的所述第一高頻率電壓。
7.根據(jù)權(quán)利要求2所述的充電系統(tǒng)，還包括聯(lián)接到所述第二雙向轉(zhuǎn)換模塊的AC接口， 所述AC接口包括AC輸入功率連接器和AC輸出功率連接器，其中所述控制模塊配置為當(dāng)所述AC能量源聯(lián)接到所述AC輸出功率連接器時(shí)識(shí)別所述能量輸送方向?yàn)镈C至AC ；當(dāng)所述DC能量源聯(lián)接到所述AC輸入功率連接器時(shí)識(shí)別所述能量輸送方向?yàn)锳C至DC。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的充電系統(tǒng)，其中所述第一雙向轉(zhuǎn)換模塊包括 第一節(jié)點(diǎn)；第二節(jié)點(diǎn)；聯(lián)接到所述隔離模塊的第三節(jié)點(diǎn)； 聯(lián)接到所述隔離模塊的第四節(jié)點(diǎn)；第一開(kāi)關(guān)，聯(lián)接在所述第一節(jié)點(diǎn)和第三節(jié)點(diǎn)之間并且配置為提供從所述第一節(jié)點(diǎn)至第 三節(jié)點(diǎn)的電流的路徑；第一二極管，聯(lián)接在所述第一節(jié)點(diǎn)和第三節(jié)點(diǎn)之間并且配置為提供從所述第三節(jié)點(diǎn)至 第一節(jié)點(diǎn)的電流的路徑；第二開(kāi)關(guān)，聯(lián)接在所述第二節(jié)點(diǎn)和第三節(jié)點(diǎn)之間并且配置為提供從所述第三節(jié)點(diǎn)至第 二節(jié)點(diǎn)的電流的路徑；第二二極管，聯(lián)接在所述第二節(jié)點(diǎn)和第三節(jié)點(diǎn)之間并且配置為提供從所述第二節(jié)點(diǎn)至 第三節(jié)點(diǎn)的電流的路徑；第三開(kāi)關(guān)，聯(lián)接在所述第一節(jié)點(diǎn)和第四節(jié)點(diǎn)之間并且配置為提供從所述第一節(jié)點(diǎn)至第 四節(jié)點(diǎn)的電流的路徑；第三二極管，聯(lián)接在所述第一節(jié)點(diǎn)和第四節(jié)點(diǎn)之間并且配置為提供從所述第四節(jié)點(diǎn)至 第一節(jié)點(diǎn)的電流的路徑；第四開(kāi)關(guān)，聯(lián)接在所述第二節(jié)點(diǎn)和第四節(jié)點(diǎn)之間并且配置為提供從所述第四節(jié)點(diǎn)至第 二節(jié)點(diǎn)的電流的路徑；和第四二極管，聯(lián)接在所述第二節(jié)點(diǎn)和第四節(jié)點(diǎn)之間并且配置為提供從所述第二節(jié)點(diǎn)至 第四節(jié)點(diǎn)的電流的路徑；
9.一種控制充電系統(tǒng)的方法，所述充電系統(tǒng)包括在DC接口處聯(lián)接到DC能量源的第一 雙向轉(zhuǎn)換模塊和在AC接口處聯(lián)接到AC能量源的第二雙向轉(zhuǎn)換模塊，所述AC能量源具有AC 電壓，所述方法包括識(shí)別所述充電系統(tǒng)的能量輸送方向，所述能量輸送方向?qū)?yīng)于所述DC接口處的DC電 流的方向；和基于所述能量輸送方向操作所述第一雙向轉(zhuǎn)換模塊和所述第二雙向轉(zhuǎn)換模塊，使得所 述DC電流在與所述能量輸送方向相對(duì)應(yīng)的方向上流動(dòng)。
10.一種車(chē)輛充電系統(tǒng)，包括 DC 接口 ；AC 接口 ；第一雙向轉(zhuǎn)換模塊，聯(lián)接到所述DC接口 ； 第二雙向轉(zhuǎn)換模塊，聯(lián)接到所述AC接口 ；聯(lián)接在所述第一雙向轉(zhuǎn)換模塊和所述第二雙向轉(zhuǎn)換模塊之間的隔離模塊，所述隔離模 塊提供所述第一雙向轉(zhuǎn)換模塊和所述第二雙向轉(zhuǎn)換模塊之間的電隔離；和聯(lián)接到所述AC接口、所述DC接口、所述第一雙向轉(zhuǎn)換模塊和所述第二雙向轉(zhuǎn)換模塊的 控制模塊，其中所述控制模塊配置為 識(shí)別能量輸送方向；和基于所述能量輸送方向操作所述第一雙向轉(zhuǎn)換模塊和所述第二雙向轉(zhuǎn)換模塊，使得所 述DC接口處的DC電流處于與所述能量輸送方向相對(duì)應(yīng)的方向上。
全文摘要
本發(fā)明涉及具有電隔離的雙向能量輸送的系統(tǒng)和方法，具體地提供雙向能量輸送的系統(tǒng)和方法。一種充電系統(tǒng)，包括第一雙向轉(zhuǎn)換模塊；第二雙向轉(zhuǎn)換模塊；和聯(lián)接在所述第一雙向轉(zhuǎn)換模塊和所述第二雙向轉(zhuǎn)換模塊之間的隔離模塊。所述隔離模塊提供所述第一雙向轉(zhuǎn)換模塊和所述第二雙向轉(zhuǎn)換模塊之間的電隔離。
文檔編號(hào)H02J7/00GK101997324SQ201010247400
公開(kāi)日2011年3月30日 申請(qǐng)日期2010年8月5日 優(yōu)先權(quán)日2009年8月5日
發(fā)明者L·A·卡尤克 申請(qǐng)人:通用汽車(chē)環(huán)球科技運(yùn)作公司